作者：Xiaofang Liang, Luohai Hua, Yumeng Cheng, Mengwei Xu, Ming Lu, Yaoguo Qin, Yuqi Yan, Frédéric Francis, Julian Chen, Jie Wang, Hao Wang, Yanxia Liu, Xiaobei Liu, Xuening Wang, Min Xue*, Yong Zhang*

01 论文信息

论文信息

Xiaofang Liang, Luohai Hua, Yumeng Cheng, Mengwei Xu, Ming Lu, Yaoguo Qin, Yuqi Yan, Frédéric Francis, Julian Chen, Jie Wang, Hao Wang, Yanxia Liu, Xiaobei Liu, Xuening Wang, Min Xue and Yong Zhang. Collaborative biodegradation of wheat straw by insect-derived cellulolytic enzymes and lignin-degrading bacteria in the gut of Zophobas morio[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.11.002

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Collaborative biodegradation of wheat straw by insect-derived cellulolytic enzymes and lignin-degrading bacteria in the gut of Zophobas morio

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 大麦虫“菌酶”合作降解秸秆

02 背景简介

全球每年产生大量农业废弃物，其中小麦秸秆等木质纤维素资源因结构顽固而难以高效生物转化。传统处理方法如焚烧或填埋不仅造成环境污染，也浪费了潜在的生物质能源。近年来，利用昆虫进行有机废弃物资源化利用受到广泛关注，其中大麦虫（Zophobas morio）幼虫作为一种可食用昆虫，展现出优异的农业副产物转化潜力。然而，尽管已有研究证实某些昆虫可降解纤维素或木质素，但大麦虫如何协同自身酶系与肠道微生物，实现对秸秆中木质纤维素这一复合抗性底物的高效降解，其分子机制仍不明确。因此，深入揭示大麦虫降解小麦秸秆的协同机制，不仅有助于理解昆虫-微生物共生系统的生态功能，也为开发基于生物酶与工程菌株的农业废弃物资源化技术提供理论依据。

围绕以上科学问题，中国农业科学院饲料研究所薛敏研究员团队联合中国农业科学院植物保护研究所张勇研究员于Green Carbon发表题为“Collaborative biodegradation of wheat straw by insect derived cellulolytic enzymes and lignin-degrading bacteria in the gut of Zophobas morio”研究论文，研究了大麦虫幼虫肠道中宿主来源的裂解性多糖单加氧酶ZmLPMO15-2与木质素降解细菌Kluyvera sp. Zm8协同降解小麦秸秆的分子机制，揭示了昆虫编码的纤维素氧化酶与共生木质素降解细菌分工协作，从而实现高效木质纤维素生物转化的新型共生降解模型。

03 文章简介

大麦虫幼虫对小麦秸秆的降解

经大麦虫连续取食30天后，小麦秸秆被啃食成细碎颗粒并转化为虫粪。FTIR显示，虫粪中纤维素/半纤维素的–OH、C–H及C=O特征峰显著减弱或消失，表明这些官能团被有效降解。TGA分析表明，虫粪在230 ℃以上质量损失速率明显慢于秸秆。不同饲料饲喂下，幼虫存活率无显著差异；20%秸秆组（WS20）采食率与全麦麸组（WB）相当，且生长率最高，而全秸秆组（WS）取食率和生长率均最低。全秸秆组幼虫粗蛋白含量显著高于全麦麸组，但粗脂肪显著降低，灰分含量则显著升高。

图1. 饲喂小麦秸秆对大麦虫幼虫生长性能和营养成分的影响

大麦虫幼虫来源的ZmLPMO15-2具有纤维素氧化裂解活力

大麦虫幼虫肠道基因ZmLPMO15-2在取食秸秆后显著上调，为验证ZmLPMO15-2的纤维素降解活性，在大肠杆菌中异源表达了该蛋白。ZmLPMO15-2重组蛋白对2,6-DMP表现出过氧化物酶活性。以微晶纤维素为底物时，质谱检测到DP6、DP7和DP8的寡糖产物，证明ZmLPMO15-2可氧化裂解纤维素。单独使用ZmLPMO15-2或GH6纤维素酶时，还原糖释放量均较低；而两者联合使用时还原糖产量显著提高，表明ZmLPMO15-2能协同增强纤维素酶的降解效率。

图2. 大麦虫幼虫ZmLPMO15-2降解纤维素的酶活性检测

大麦虫肠道木质纤维素降解细菌的分离鉴定与基因组测序

利用培养组学从大麦虫幼虫肠道中分离获得16株好氧木质纤维素降解细菌，经鉴定为克雷伯氏菌、克吕沃尔氏菌等。其中菌株Zm8的基因序列与秸秆饲喂组富集的OTU191完全一致。全基因组测序表明与ANI分析显示Zm8与已知近缘种相似度约86.30%，低于95%的物种界定阈值，因此认定为新种，命名为Kluyvera sp. Zm8（GenBank登录号CP195643）。

图3. 从饲喂秸秆的大麦虫幼虫肠道分离的木质素降解菌Zm8的全基因组序列

大麦虫肠道菌Kluyvera sp. Zm8可降解木质素与秸秆

为评估Kluyvera sp. Zm8的木质素降解活性，在碱性木质素培养基中培养该菌。5天内菌株生长较好，同时A280值持续下降，表明木质素被降解。酶活检测到漆酶（Lac）和锰过氧化物酶（MnP）活性。处理秸秆5天后，秸秆生物量减少8.2±1.2%，处理液中的Lac和MnP活性显著高于对照，但未检测到纤维素/半纤维素酶活性。扫描电镜显示，碱性木质素呈高度碎片化，秸秆表面变得疏松多孔；核磁共振谱也证实木质素中β-O-4醚键信号明显减弱。

图4. Kluyvera sp. Zm8 降解木质素和秸秆的功能表征

总结与展望

本研究揭示了大麦虫幼虫通过宿主编码的纤维素氧化酶ZmLPMO15-2与肠道木质素降解菌Kluyvera sp. Zm8协同作用，高效分解小麦秸秆的机制。本研究创新性揭示了昆虫体内微生物与肠道酶协同合作、同步降解木质纤维素的新机制，为开发新型农业废弃物生物转化工艺提供了酶与菌株资源。本研究创新性揭示了昆虫体内微生物与肠道酶协同合作、同步降解木质纤维素的新机制，未来可进一步优化菌酶协同体系，探索其在昆虫高效转化秸秆及低值有机废弃物资源化中的规模化应用，助力绿色低碳循环经济发展。

04 作者简介

薛敏 研究员

薛敏，研究员，博士生导师，中国农业科学院饲料研究所饲料加工与质量安全创新团队首席专家，棉籽蛋白资源开发中心主任，中挪饲料加工联合实验室主任。开创性地将饲料原料的营养和加工特性有机结合，形成蛋白资源开发-饲料加工-营养代谢调控交叉学科组，在饲料精细加工、水产动物营养研究领域具有国际影响力。创建了全球唯一的饲料原料加工特性数据库，并研发出中农科龙腾饲料配方工业软件，开辟饲料行业信创先河。担任现代农业产业技术体系北京市渔业创新团队岗位专家，国际鱼类营养与饲料学术委员会（ISFNF）委员，全国饲料评审委员会专家，全国饲料标准化技术委员会委员，Animal Nutrition等杂志编委。发表学术论文200余篇，制定国家与行业标准9项，曾获国家科技进步二等奖，神农中华农业科技一等奖，湖北省科技进步一等奖（2项）等。

张勇 研究员

张勇，中国农业科学院植物保护研究所研究员，研究方向为昆虫生理生化与分子生物学，聚焦资源昆虫优异经济性状遗传机制解析及新种质创制等研究。先后主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划子课题、中国农业科学院青年创新专项等项目10余项。在Green Carbon、Plant Biotechnology Journal、Advanced Functional Materials、GigaScience、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Insect Biochemistry and Molecular Biology等国际权威期刊发表论文20余篇；授权国家发明专利5项。现任北京昆虫学会理事/副秘书长、中国植物保护学会青年委员会委员。2022年入选北京市科协青年人才托举工程项目；获得神农中华农业科技奖三等奖，北京昆虫学会基础研究论文一等奖等。

05 Green Carbon

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